UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e
Urbanismo
IRRIGAÇÃO POR INFILTRAÇÃO COM EFLUENTE
DE LAGOA ANAERÓBIA EM SOLO CULTIVADO
COM MILHO (Zea mays L.)
Saulo Bruno Silveira e Souza
Campinas
2004
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e
Urbanismo
IRRIGAÇÃO POR INFILTRAÇÃO COM EFLUENTE DE
LAGOA ANAERÓBIA EM SOLO CULTIVADO COM MILHO
(Zea mays L.)
Saulo Bruno Silveira e Souza
Orientador: Prof. Dr. Bruno Coraucci Filho
Co-orientador: Prof. Dr. Roberto Feijó de Figueiredo
Dissertação de Mestrado apresentada à
Comissão de Pós-Graduação da Faculdade
de Engenharia Civil, Arquitetura e
Urbanismo da Universidade Estadual de
Campinas, como parte dos requisitos para
a obtenção do título de Mestre em
Engenharia Civil.
Campinas, SP
2004
FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA
BIBLIOTECA DA ÁREA DE ENGENHARIA - BAE - UNICAMP
So89i
Souza, Saulo Bruno Silveira e
Irrigação por infiltração com efluente de lagoa
anaeróbia em solo cultivado com milho (Zea mays
L.) / Saulo Bruno Silveira e Souza.--Campinas, SP:
[s.n.], 2004.
Orientadores: Bruno Coraucci Filho, Roberto
Feijó de Figueiredo.
Dissertação (Mestrado) - Universidade Estadual
de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil,
Arquitetura e Urbanismo.
1. Água - Reutilização. 2. Esgotos. 3. Irrigação.
4. Águas residuais de irrigação. I. Coraucci Filho,
Bruno. II. Figueiredo, Roberto Feijó de. III.
Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de
Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo. IV.
Título.
Aos meus pais,
aos meus irmãos e familiares,
e ao meu filho Arthur.
AGRADECIMENTOS
Ao Prof. Dr. Roberto Feijó de Figueiredo e ao Prof. Dr. Bruno Coraucci Filho, que foram as lanternas irradiantes durante toda esta jornada, proporcionando as ferramentas e todo o apoio para finalizar esta obra. Agradeço pela oportunidade e credibilidade dada na realização deste trabalho e por toda a estrutura fornecida. Obrigado, mais uma vez, por tudo, não só pela orientação, mas também pela amizade e pelo apoio em momentos.
Ainda agradeço ao Prof. Dr. Bruno Coraucci Filho, por ter me iniciado nesta área, quando ainda era estudante da graduação, me proporcionando oportunidades enriquecedoras, que contribuíram para minha formação profissional e pessoal.
Ao Prof. Dr. Marcos Omir Marques, da FCAV/UNESP, pela contribuição dada à pesquisa.
Aos Drs. Ronaldo Stefanutti, e Edna Ivani Bertoncini, por todo o apoio dado ao longo da pesquisa, pela disponibilidade oferecida, e por proporcionarem discussões enriquecedoras para este projeto.
Ao Msc. Ricardo Pinto, pelos conhecimentos de irrigação transmitidos e por todo o apoio disponibilizado na concepção e implantação deste projeto. Aos pesquisadores do IAC, Margarida Fumiko Ito e Márcio Akira Ito pelo apoio e incentivo ao longo do projeto.
Ao Prof. João Bosco de Andrade pelo incentivo e auxílio durante a revisão da dissertação.
Aos colegas de pós-graduação, Osvaldo, Patrícia, Patrícia Andrade, Marta, Adriano, Cristiano, Lígia, Enelton, Thamy, Doralice, Alexandre e Raul, por todo apoio.
Às colegas da área experimental, Paulo, Rodrigo e Oder, por todo o companheirismo desenvolvido do início ao fim deste projeto. Aos bolsitas Camila, Renata, Martina, Andréia, Bianca, Elizete, Janaína, Letícia, Tássia, Tatila, e Elgin (“in memorian”), pelo auxílio no laboratório.
Aos amigos Renato, Tiago, Regina, Laís, Tatiana, Érick, Gustavo, César, André Kohn, Guilherme, Taís, Carla, Humberto, Márcio, Carlos Faustinho, Érica, Keila, Leandro e tantos outros, que de uma forma ou de outra contribuíram para o êxito desta pesquisa.
Ao casal Milton e Lígia, e à família Ito, que me acolheram em Campinas como filho, prestando todo auxílio e carinho que necessitei.
Aos funcionários do CESET/UNICAMP, à direção e aos funcionários das oficinas, por terem disponibilizado os espaços e instrumentos necessários para a realização das atividades. Aos funcionários do Laboratório de Hidrologia, do Laboratório de Mecânica dos Solos e Estradas da FEC/UNICAMP, pela disponibilidade apresentada quando solicitados.
Ao CNPq pelo financiamento deste trabalho e à FINEP, ao CNPq e à Caixa Econômica Federal e ao CT-Hidro, pelo apoio ao projeto.
À Cia. Águas de Limeira, por ter cedido o espaço para o desenvolvimento da parte de campo, e ao funcionário Conrado, pelo apoio dado no dia-a-dia.
Por fim, externo a minha gratidão ao Criador, pela oportunidade de crescimento que me foi facultada e aos meus orientadores espirituais pela presença constante, me transmitindo coragem, determinação, serenidade, discernimento, paciência e
principalmente, a sensação de estar acompanhado e amparado, especialmente nos momentos de solidão e desânimo.
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ... IV
LISTA DE TABELAS ... VII
LISTA DE ABREVIATURAS ... IX RESUMO ... XI ABSTRACT ... XIII 1 INTRODUÇÃO ... 01 2 OBJETIVOS ... 05 2.1 Objetivo Geral ... 05 2.2 Objetivos Específicos ... 06 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 07
3.1 Demanda e Consumo dos Recursos Hídricos no Mundo e no Brasil ... 07
3.2 Reúso Agrícola ... 11
3.3 Lagoa Anaeróbia ... 13
3.4 Impactos do Tratamento no Solo ... 15
3.5 Normas e Padrões ... 20
3.6 Nutrientes ... 25
3.6.1 Nitrogênio ... 29
3.6.2 Fósforo ... 33
3.6.3 Potássio, Cálcio, Magnésio e Sódio ... 35
3.6.5 Avaliação da Remoção de Nutrientes dos Efluentes Aplicados no
Solo ... 39
3.7 Métodos de Tratamento de Esgoto no Solo em Larga Escala ... 40
3.7.1 Irrigação ... 40
3.7.1.1 Qualidade da Água para Irrigação (Toxicidade e Salinidade) . 41 3.7.1.2 Freqüência de Irrigação ... 44
3.7.2 Técnicas de Irrigação ... 45
3.7.2.1 Técnica de Irrigação por Sulcos ... 47
3.7.2.2 Controle de Irrigação ... 48
4 MATERIAL E MÉTODOS ... 55
4.1 Localização ... 55
4.2 Análises Químicas e Físicas do Solo ... 56
4.3 Caracterização do Efluente ... 57
4.4 Delineamento Experimental ... 59
4.5 Montagem do sistema de irrigação e freqüência de rega ... 60
4.6 Plantio e Condução da Cultura de Milho ... 63
4.6.1 Primeira Safra – Verão ... 63
4.6.2 Segunda Safra – Inverno ... 65
4.6.3 Terceira Safra – Verão ... 67
4.7 Coleta e Análises dos Lixiviados ... 68
4.8 Colheita, Produtividade, e Metais Pesados nos Grãos Colhidos ... 69
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 71
5.1 Análises Físicas do Solo... 72
5.2 Análises Químicas do Solo Antes e Após a Aplicação de Efluentes... 73
5.2.1 Primeira safra ... 73
5.2.2 Segunda Safra ... 78
5.2.3 Terceira safra ... 81
5.3 Caracterização do Efluente Utilizado na Irrigação ... 85
5.4 Controle da Irrigação e Fornecimento de Nutrientes ... 88
5.4.1 Primeira Safra ... 88
5.4.2 Segunda Safra ... 89
5.4.3 Terceira Safra ... 90
5.5.1. pH e Condutividade Elétrica ... 92
5.5.2 DBO, DQO e COT ... 97
5.5.3 Fósforo ... 105
5.5.4 Série de Nitrogênio ... 108
5.5.4.1 NTK e N-NH4+ ... 108
5.5.4.2 N-NO2-, e, N-NO3- ... 113
5.5.5 Alcalinidade ... 120
5.5.6 Coliformes Totais e E. Coli ... 122
5.6 Produtividade da Cultura de Milho e Teor de Metais Pesados em Folhas e Grãos ... 126
5.6.1 Produtividade da Cultura ... 126
5.6.2 Teores Totais de Metais Pesados nas Folhas e Grãos Colhidos na Segunda Safra ... 130
6 CONCLUSÕES ... 135
7 RECOMENDAÇÕES ... 137
8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 139
LISTA DE FIGURAS
3.1 Distribuição percentual do uso da água nos Estados e no Brasil ... 09 3.2 Configuração de uma lagoa anaeróbia ... 15 3.3 Esquema das transformações das espécies de nitrogênio no solo ... 31 3.4 Técnicas de irrigação mais utilizadas para tratamento das águas residuárias ... 45 3.5 Estágios do ciclo vegetativo do milho ... 53 4.1 Vista geral da lagoa anaeróbia, localizada na ETE-Graminha, Limeira, SP (A);
tubulação de saída (B); e, caixa que recebe o efluente tratado ... 58 4.2 Esquema da parcela e bordaduras (A); parcela recebendo adubo na linha de
plantio, e, sulcos de irrigação (B); e disposição das parcelas e blocos na área (C) ... 60 4.3 Sistema de distribuição de efluentes (A), e parcela irrigada com efluente, pelo
sistema de sulcos rasos (B) ... 61 4.4 Preparo do solo e nivelamento de sulcos (A); adubação e plantio (B); Cultura
em fase de desenvolvimento vegetativo (C); Colheita (D) ... 64 4.5 Esquema de coletor de drenagem livre (A); instalação de coletores no perfil do
solo (B); coleta de lixiviados (C); e, aspecto dos lixiviados coletados (D) ... 69 5.1 Valores do Potencial Hidrogeniônico das amostras extraídas dos coletores de
drenagem na primeira safra por profundidade do solo e lâminas hídricas ... 93 5.2 Valores do Potencial Hidrogeniônico das amostras extraídas dos coletores de
drenagem na segunda safra por profundidade do solo e lâminas hídricas ... 94 5.3 Valores do Potencial Hidrogeniônico das amostras extraídas dos coletores de
drenagem na terceira safra por profundidade do solo e lâminas hídricas ... 94 5.4 Valores da Condutividade elétrica em µS cm-1 das amostras extraídas dos
coletores de drenagem na primeira safra ... 95 5.5 Valores da Condutividade elétrica em µS cm-1
das amostras extraídas dos coletores de drenagem na segunda safra ... 96 5.6 Valores da Condutividade elétrica em µS cm-1 das amostras extraídas dos
coletores de drenagem na terceira safra ... 96 5.7 Valores da DBO das amostras extraídas dos coletores de drenagem na
primeira safra ... 98 5.8 Valores da DBO das amostras extraídas dos coletores de drenagem na
segunda safra ... 99 5.9 Valores da DBO das amostras extraídas dos coletores de drenagem na
terceira safra ... 100 5.10 Valores de DQO das amostras extraídas dos coletores de drenagem na
primeira safra ... 101 5.11 Valores de DQO das amostras extraídas dos coletores de drenagem na
segunda safra ... 102 5.12 Valores de DQO das amostras extraídas dos coletores de drenagem na
terceira safra ... 103 5.13 Concentração de TOC das amostras extraídas dos coletores na segunda
safra ... 104 5.14 Concentração de TOC das amostras extraídas dos coletores na terceira safra 104 5.15 Concentração de fósforo das amostras extraídas dos coletores de drenagem
na primeira safra ... 106 5.16 Concentração de fósforo das amostras extraídas dos coletores de drenagem
na segunda safra ... 106 5.17 Concentração de fósforo das amostras extraídas dos coletores de drenagem
na terceira safra ... 107 5.18 Concentração de NTK das amostras extraídas dos coletores de drenagem na
primeira safra ... 108 5.19 Concentração de NTK das amostras extraídas dos coletores de drenagem na
segunda safra ... 109 5.20 Concentração de NTK das amostras extraídas dos coletores de drenagem na
terceira safra ... 110 5.21 Concentração de amônia das amostras extraídas dos coletores de drenagem
na primeira safra ... 110 5.22 Concentração de amônia das amostras extraídas dos coletores de drenagem
na segunda safra ... 111 5.23 Concentração de amônia das amostras extraídas dos coletores de drenagem
na terceira safra ... 112 5.24 Concentração de nitrito das amostras extraídas dos coletores de drenagem na
primeira safra ... 113 5.25 Concentração de nitrito das amostras extraídas dos coletores de drenagem na
segunda safra ... 114 5.26 Concentração de nitrito das amostras extraídas dos coletores de drenagem na
terceira safra ... 115 5.27 Concentração de nitrato das amostras extraídas dos coletores de drenagem
na primeira safra... 116 5.28 Concentração de nitrato das amostras extraídas dos coletores de drenagem
na segunda safra ... 117 5.29 Concentração de nitrato das amostras extraídas dos coletores de drenagem
na terceira safra ... 118 5.30 Valores da alcalinidade parcial e total das amostras extraídas dos coletores de
drenagem na primeira safra ... 120 5.31 Valores da alcalinidade parcial e total das amostras extraídas dos coletores de
drenagem na segunda safra ... 121 5.32 Valores da alcalinidade parcial e total das amostras extraídas dos coletores de
drenagem na terceira safra ... 121 5.33 Concentração de coliformes totais das amostras extraídas dos coletores de
drenagem na primeira e segunda safra ... 122 5.34 Concentração de E. coli das amostras extraídas dos coletores de drenagem
na primeira e segunda safra ... 123 5.35 Concentração de coliformes totais das amostras extraídas dos coletores de
drenagem na terceira safra ... 124 5.36 Concentração de E. coli das amostras extraídas dos coletores de drenagem
LISTA DE TABELAS
3.1 Aumento da produtividade agrícola (ton ha-1 ano-1) possibilitada pela irrigação
com esgotos domésticos ... 17
3.2 Diretrizes recomendadas para a qualidade microbiológica das águas residuais utilizadas na agricultura ... 22
3.3 Diretrizes propostas à norma mexicana NOM-001-ECOL-1996 ... 24
3.4 Período de sobrevivência dos patógenos em produtos agrícolas e forragem para animais ... 25
3.5 Comparação entre o sistema de tratamento no solo com o sistema convencional (nível secundário) ... 26
3.6 Descrição dos sintomas de deficiências (-) e excessos (+) mais freqüentes na cultura do milho no Brasil ... 27
3.7 Produtividade de culturas irrigadas com esgotos sanitários (ton ha-1) ... 28
3.8 Classes de salinidade para águas de irrigação ... 37
3.9 Qualidade esperada do efluente doméstico tratado por aplicação no solo, em termos dos nutrientes Nitrogênio e Fósforo (em mg L-1) ... 39
3.10 Alguns parâmetros exigidos para a qualidade da água para irrigação ... 43
3.11 Coeficientes do Tanque Classe A ... 51
3.12 Valores do coeficiente de cultura Kc para a cultura do milho ... 52
5.1 Valores de densidade global e real, e análise textural nas diversas camadas do perfil do solo ... 72 5.2 Parâmetros do projeto irrigação para as profundidades de irrigação
estabelecidas e volume a ser aplicado por sulco(1) ... 73
5.3 Caracterização química do solo, na linha de plantio, antes da primeira safra. Resultados médios de amostra composta dos três blocos(1) ... 74
5.4 Caracterização química do solo, na linha de plantio, após a primeira safra. Resultados médios de amostra composta dos três blocos(1) ... 76
5.5 Caracterização química do solo, no sulco de irrigação, após a primeira safra. Resultados médios de amostra composta dos três blocos(1) ... 77
5.6 Teores de B, e dos metais Cd, Cr, Cu, Ni e Zn nos sulcos de irrigação, após a primeira a safra. Resultados médios de amostra composta dos três blocos(1) .. 78
5.7 Caracterização química do solo, na linha de plantio, após a segunda safra. Resultados médios de amostra composta dos três blocos(1) ... 79
5.8 Caracterização química do solo, no sulco de irrigação, após a segunda safra. Resultados médios de amostra composta dos três blocos(1) ... 81
5.9 Caracterização química do solo, na linha de plantio, após a terceira safra. Resultados médios de amostra composta dos três blocos(1) ... 82
5.10 Caracterização química do solo, no sulco de irrigação, após a terceira safra. Resultados médios de amostra composta dos três blocos(1) ... 85
5.11 Caracterização físico-química e microbiológica do esgoto bruto, e, dos efluentes utilizados na irrigação do milho. Resultados médios das aplicações realizadas em cada safra (1) ... 86
5.12 Teores de Cd, Cr, Cu, Ni, Zn e Pb no efluente da lagoa anaeróbia. Resultados médios das aplicações realizadas em cada safra (1) ... 88
5.13 Fornecimento de N-P2O5-K2O via adubação química, e, aplicação de efluente nas lâminas de 0,20, 0,40, e, 0,60 m, durante a primeira safra ... 89
5.14 Fornecimento de N-P2O5-K2O via adubação química, e, aplicação de efluente nas lâminas de 0,20, 0,40, e, 0,60 m, durante a segunda safra ... 90
5.15 Tabela 5.15 Fornecimento de N-P2O5-K2O via adubação química, e, aplicação de efluente nas lâminas de 0,20, 0,40, e, 0,60 m, durante a terceira safra ... 91
5.16 Produtividade da cultura na primeira safra ... 126
5.17 Produtividade da cultura na segunda safra ... 128
5.18 Produtividade da cultura na terceira safra ... 129
5.19 Teores de Cd, Cr, Cu, Ni, Zn, nas folhas de milho na segunda safra ... 131
LISTA DE ABREVIATURAS
ANA Agência Nacional de Águas
APHA American Public Health Association AWWA American Water Works Association A.C. Antes de Cristo
CC Capacidade de Campo
CTC Capacidade de Troca Catiônica Kc Coeficiente da Cultura
Kp Coeficiente do Tanque Classe A
CF Coliforme Fecal
CT Coliforme Total
SABESP Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo SANEPAR Companhia de Saneamento do Paraná
CE Condutividade Elétrica
CONAMA Conselho Nacional do Meio Ambiente COT Carbono Orgânico Total
CT-Hidro Fundo Setorial de Recursos Hídricos DBO Demanda Bioquímica de Oxigênio DQO Demanda Química de Oxigênio
Dg Densidade Global
Dr Densidade Real
EMATER Empresa de Assistência Técnica e Extensão Rural EPA Environmental Protection Agency
ETE Estação de Tratamento de Esgoto EUA Estados Unidos da América ETp Evapotranspiração potencial ETr Evapotranspiração real
FAO Food and Agriculture Organization of the United Nations FINEP Financiadora de Estudos e Projetos
ha hectare
IAC Instituto Agronômico de Campinas IAPAR Instituto Agronômico do Paraná NMP Número mais provável
OMS Organização Mundial de Saúde ppm Partes por Milhão
PM Ponto de Murchamento
pH Potencial Hidrogeniônico
PROSAB Programa de Pesquisas em Saneamento Básico RAS Razão de Adsorção de Sódio
RMSP Região Metropolitana de São Paulo SDT Sólidos Dissolvidos Totais
UV Ultra-violeta
UA Umidade Atual
UC Umidade Crítica
RESUMO
O reúso de efluentes domésticos anaeróbios na agricultura surge como alternativa de destino para o efluente tratado, visto que este possui características físico-químicas vantajosas para a agricultura, ao mesmo tempo em que possui concentrações que extrapolam os padrões de lançamento nos cursos de água. Neste estudo, o efluente anaeróbio foi utilizado para irrigação da cultura do milho, por meio de um sistema de sulcos rasos de infiltração, tendo como objetivo a determinação de taxas de aplicação, que sejam convenientes do ponto de vista sanitário e agronômico, à proteção dos aqüíferos subterrâneos e à produção de colheitas. Para tanto, foram investigadas três lâminas hídricas correspondentes às profundidades de irrigação de 0,20, 0,40 e 0,60 m, para os tratamentos irrigados com efluente, irrigados com água e fertilizantes, e, irrigados apenas com água, sem fertilização. O experimento foi conduzido durante três safras, empregando o cultivar AG 405 para as duas safras de verão, e, o cultivar BR 106 para a safra de inverno. Foram monitorados os líquidos lixiviados nas profundidades 0,25, 0,50 e 0,75 m para os tratamentos com esgoto e com água enriquecido com fertilizantes. A fertilidade do solo foi avaliada por meio de análises químicas de rotina, no final de cada safra, na linha de plantio, e, nos sulcos de irrigação. A produtividade da cultura foi avaliada pelo peso de grãos secos a 65o C; peso dos grãos secos a 105o C (13% de teor de água); e, peso de 1000 grãos a 13% de teor de água. Também, foram determinados os teores totais dos metais Cd, Cr, Cu, Ni, Zn, e, Pb, em folhas e grãos na segunda safra.
Os resultados indicam que o reúso agrícola é, sem dúvida, vantajoso tanto no aspecto sanitário quanto no agronômico. As variáveis físico-químicas do efluente consideradas insatisfatórias no tratamento anaeróbio podem trazer benefícios ao sistema solo-planta. Para as três safras analisadas, a produção de grãos foi semelhante, tanto para o tratamento realizado com efluente quanto para o tratamento irrigado com água acrescido de fertilizantes, sendo que as parcelas irrigadas com lâmina de 0,40 m obtiveram as melhores produtividades. Na última safra, para esta lâmina, as parcelas irrigadas com efluente atingiram a produtividade de 6,2 ton ha-1, semelhante à produtividade das parcelas enriquecida com fertilizantes, 6,3 ton ha-1. No aspecto sanitário, observou-se remoção de matéria orgânica e fósforo. No material lixiviado, observou-se eficiência na remoção de DBO, variando de 77,8 a 99,5% em relação ao efluente anaeróbio. Em relação à DQO, a eficiência variou de 87,7 a 99,4%. Para o fósforo, sua concentração nas amostras teve redução em torno de 97,0% em relação ao efluente aplicado, demonstrando que ele foi imobilizado no solo e/ou absorvido pela cultura. O sistema apresentou boa eficiência do processo de nitrificação, sendo que as amostras lixiviadas sofreram redução da concentração de N-NH4+ de 99,0% em relação ao efluente. O nitrato
foi lixiviado com mais intensidade após o estágio de desenvolvimento da planta, quando a necessidade hídrica e a demanda por nutrientes da cultura começa a reduzir-se. Em algumas etapas ao longo do ciclo da cultura, quando ocorreu aporte excessivo de nitrogênio, pode-se notar concentrações de nitrato no líquido lixiviado acima dos padrões de potabilidade, 10 mg L-1, tanto no tratamento com efluente, quanto com água enriquecido com fertilizantes. Ainda, os resultados obtidos para coliformes indicam que estes sobrevivem e estão presentes no solo, independente do tratamento. Para a E. coli notau-se redução da concentração na amostra da ordem de 3 unidades logarítmicas em relação à concentração no efluente aplicado. Em vista dos resultados obtidos na pesquisa, de maneira geral, conclui-se que o reúso é viável, desde que sejam tomadas precauções quanto aos impactos de origem sanitária, principalmente relacionada ao nitrato e aos coliformes.
ABSTRACT
The experiment was conducted around of a Sewage Treatment Plant located in Limeira city, São Paulo, Brazil. This research had the proposal to reuse the domestic effluent treated in an anaerobic lagoon, that present a BOD removal efficiency of 50%. The main objective was the determination of application rates of effluent in the soil according to sanitary and agronomic engineering practices. Three different rates were studied, corresponding to irrigation depths of 0.20, 0.40 and 0.60m. The study was carried out for three treatments, parcels irrigated with effluent, water plus fertilizer, and only water. Collectors were placed in the soil profile at 0.25, 0.50 and 0.75 m to extract the soil solution. The experiment was happened during three harvests, using the cultivar AG 405 for the two summer harvests, and, the cultivar BR 106 for the winter harvest. The fertility of the soil was verified through chemical analyses of routine, in the end of each harvest. The productivity of the culture was evaluated by the weight of dry grains to 65oC; by the weigh of dry grains to 13% of water; and, by the weigh from 1000 grains to 13% of water. Also, it was determined the total contents of the metals Cd, Cr, Cu, Ni, Zn, and, Pb, for the leaves and grains in the second harvest, and, for the grains in the third harvest. The results indicated that the agricultural reuse is, without a doubt, advantageous. The physiochemical characteristics, considered unsatisfactory in the anaerobic treatment, are advantageou to the system soil-plant. For the three harvests, the production of grains was practically the same, so much for the treatment with sewer and as for the treatment with
water plus fertilizer. The irrigation depth of 0.40 m obtained the best productivity. In the last harvest, for this irrigation depth, the parcels irrigated with efluente had a productivity of 6.2 ton ha-1, while in the fertilizer parcels, 6.3 ton ha-1. In the sanitary aspect, the results indicated good removal of organic matter and phosphorus. The removal of DBO varied from 77.8 to 99.5% in relation to the anaerobic efluent. For DQO, the results varied from 87.7 to 99.4%. The P content was reduced around 97.0% in relation to the applied efluent, returning to its natural reservoir, the soil. The nitrification process was complete, with reduction of 99.0% in the N-NH4+ concentration when compared to efluent. Nitrate
percolation occurs more frequently after the decreasing of the water and nutrient demand of the plants; in some cases, the concentrations of nitrate were high, so much for the treatment with sewage, as with mineral fertilization. It can be noticed concentrations of nitrate in the liquid collected above the water potability parameters, 10 mg L-1. Still, the results obtained for coliforms indicated that these microrganisms are present in the soil, independent of the treatment. For E. coli it was verified a reduction of the order of 3 logs in relation to the applied efluent. The reuse of anaerobic efluent in agricultural soils is viable, since precautions are taken to avoid the nitrate and coliforms contamination.
1 INTRODUÇÃO
O desenvolvimento das nações tem determinado uma crescente urbanização que, de modo geral, ocorre de forma acelerada e sem qualquer planejamento. Os centros urbanos estão enfrentando inúmeras dificuldades decorrentes desta concentração desordenada. Entre tais dificuldades está o gerenciamento de recursos hídricos, cada vez mais escassos.
O incremento das demandas da sociedade por melhores condições ambientais tem exigido das empresas públicas e privadas definições de políticas mais avançadas, buscando aprimorar os sistemas de tratamento de efluentes de forma que as matérias-primas consumidas pelas atividades humanas retornem para os ecossistemas com o mínimo impacto possível, reduzindo a contaminação do meio e a disseminação de doenças.
Os processos biológicos no tratamento de efluentes têm sido uma alternativa para a depuração dos esgotos domésticos, devido à alta biodegradabilidade de seus constituintes. Os processos aeróbios podem resultar na geração de grande volume de lodo, e necessidade de equipamentos mecânicos e de energia elétrica para o seu manejo. Já o processo anaeróbio produz um pequeno volume de lodo, visto que a maior parte dos microrganismos, oriundos do esgoto bruto, se integram à biomassa do sistema. Não há necessidade de muitos equipamentos mecânicos e pode haver o aproveitamento de
energia pela liberação do gás metano. As condições ambientais do nosso país se mostram favoráveis à sua adoção. No entanto, este processo apresenta baixa remoção de nutrientes e matéria orgânica, não atingindo os limites preconizados no CONAMA 20/86 para a DBO. Com efeito, o CONAMA postula a remoção mínima de valores inferiores a 60 mg L-1. A remoção de sólidos totais também não atinge os valores de 100 mg L-1, tornando-se necessário o pós-tratamento do efluente para reduzir a matéria orgânica e o excesso de sólidos totais a níveis adequados para lançamentos em corpos hídricos.
Entre os métodos de pós-tratamento podem ser citadas as lagoas de estabilização e de polimento, os lodos ativados, e a disposição no solo, entre outros. A disposição de esgotos no solo surge como uma hipótese de tratamento de baixo custo e de fácil operação que vem sustentar uma política ambiental correta. Funciona também como uma alternativa válida para regiões em que a extinção dos recursos naturais já é um fato consumado.
A falta da água sempre foi um fator limitante na agricultura da maioria dos países do oriente médio e sua população teve que se adaptar às poucas chuvas e aos rios como fornecedores de água. No Egito, o Nilo é a única fonte de água estável. Em Israel, a maior parte do território encontra-se em uma zona árida ou semi-árida. A precipitação pluvial anualmente oscila entre 400 e 800 mm. Assim, o reúso das águas residuárias na agricultura é fundamental para a sobrevivência daqueles povos.
O Brasil apresenta potencial para a adoção da técnica de reúso em irrigação. O País possui grande vocação agrícola e necessita tratar seus efluentes com técnicas de baixo custo. Outro fator favorável ao uso deste procedimento é a realidade brasileira, onde apenas 35% da população conta com serviço de coleta de esgoto e, desse total, só 10% recebe tratamento, acarretando o lançamento diário de 10 bilhões de litros de esgoto bruto nos corpos de água.
Esgotos lançados in natura em corpos de água, além de contribuírem para a degradação do meio ambiente, constituem grave problema de saúde pública. Em
conseqüência, morreram no Brasil cerca de 7633 pacientes de doenças infecciosas intestinais entre 1984 e 1991 (Finep, 2001).
O aproveitamento planejado de águas residuárias na agricultura é uma alternativa para controle da poluição de cursos de água. O método assegura, ainda, o fornecimento de água e fertilizantes para as culturas, contribuindo para o desenvolvimento das práticas agrícolas sem conflitos com os demais usos potenciais da água.
São técnicas que envolvem duas áreas específicas da engenharia: a sanitária, que visa à depuração do resíduo líquido; e a agrícola, que tem por escopo o aproveitamento de águas servidas para a irrigação e fertilização do solo. O tratamento dos esgotos por disposição no solo aumenta seu potencial agricultável, pela fertilização com nutrientes, com adição de matéria orgânica e fornecimento da água necessária às culturas.
Os impactos da aplicação dos esgotos são bastante benéficos. A cultura absorve macro e micronutrientes disponibilizados pelos esgotos. São comuns acréscimos de 20 a 70% de produtividade, conforme estudos feitos pelo IAPAR, Instituto Agronômico do Paraná, e EMATER/PR (Paganini, 1997).
No entanto, a aplicação de efluentes no solo não deve ser feita de forma indiscriminada e sem controle. Conforme Coraucci Filho (1998), deve existir um elo perfeito entre os critérios de projetos da engenharia sanitária e os da engenharia de irrigação, de forma que o efluente possa ser aplicado e tratado no solo sem que haja sua contaminação e sua saturação por nutrientes. O lençol freático também merece grande atenção para que não receba cargas de contaminantes. Logo, é extremamente importante um estudo detalhado e confiável que forneça subsídios para a escolha de uma cultura adequada, bem como as taxas hidráulicas na irrigação e os turnos de rega, para que as condições sanitárias sejam respeitadas.
A pequena experiência brasileira com estas técnicas recomenda uma atitude prudente na sua aplicação. Cada caso deve ser estudado detalhadamente. Mas isso não é empecilho, pois o conhecimento internacional, e mesmo nacional, é suficiente para que se estimule a sua implementação com competência.
O país oferece condições excepcionalmente favoráveis para a disposição de esgotos no solo, tanto pela disponibilidade de áreas em sua grande extensão territorial, como pelas condições climáticas adequadas, entre outros fatores convenientes. Contudo, estudos locais devem fornecer bases para uma implementação mais confiável.
2 OBJETIVOS
2.1 Obetivo Geral
Propõe-se o reúso do efluente doméstico de uma lagoa anaeróbia em um sistema de irrigação por infiltração, buscando taxas hidráulicas que permitam aumento na produtividade do milho, sem contaminação do lençol freático por compostos nitrogenados e patógenos, e, ao mesmo tempo que permita o pós-tratamento do efluente anaeróbio.
2.2 Objetivos Específicos
Os objetivos específicos deste estudo referem-se a:
- Avaliação do pós-tratamento do efluente aplicado no solo, por meio de monitoramento da qualidade dos lixiviados da solução do solo coletados nas profundidades de 0,00; 0,25; 0,50 e 0,75 m;
- Avaliação da produtividade agrícola da cultura do milho, produzido em duas safras de verão, e, uma de inverno, confrontando-se os tratamentos solo irrigado com efluente; solo irrigado com água e fertilizado com adubo, e, solo irrigado apenas com água, sem fertilização.
- Observação dos impactos do reúso de efluentes na irrigação agrícola no sistema solo-planta-água.
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 Demanda e Consumo dos Recursos Hídricos no Mundo e no Brasil
Há diferentes estimativas de disponibilidade de água no globo terrestre e no Brasil. Na maior parte dos casos os valores são discrepantes, pois derivam de abordagens distintas e realizadas com base em informações diversas. Entretanto, a ordem de grandeza apresentada é a mesma e permite que sejam realizadas reflexões importantes sobre o tema.
O volume total de água no planeta é estimado em 1,4 109 km3. No entanto, somente 2,5% são de água doce. O volume explorável sobre o ponto de vista tecnológico e econômico equivale a 0,6% do total. O gelo corresponde a 2,1% e o restante apresenta-se na forma de vapor d’água (Setti, 1994).
A água doce tem reservas estimadas em 8,2 milhões de km3, sendo que desse total somente 1,2% (98.400 km3) constituem rios e lagos e os restantes 98,8% formam o aqüífero subterrâneo (Setti, 1994). Os continentes mais favorecidos em reservas de água doce são a Ásia, a América do Norte e a América do Sul.
Em países como a Arábia Saudita, a Dinamarca e Malta, as águas subterrâneas são os únicos recursos hídricos disponíveis. Em outros, como a Áustria, Alemanha, Bélgica, França, Hungria, Itália, Holanda Marrocos, Rússia e Suíça, mais de 70% da demanda são atendidas pelos mananciais subterrâneos (Banco Mundial, 1994).
Os conflitos entre países usuários de uma mesma bacia, que envolvem cerca de 40% da população mundial, costumam ser resolvidos por meio de tratados internacionais. Há mais de 200 bacias hidrográficas comuns a dois ou mais países, correspondendo à cerca de 60% da superfície mundial (Banco Mundial, 1994). Em tais casos enquadram-se a Índia e Bangladesh pelo rio Ganges, o México e os Estados Unidos devido ao rio Colorado, e a República Eslovaca e a Hungria por causa do Danúbio.
O Brasil encontra-se em uma posição cômoda quanto à disponibilidade hídrica renovável. Enquanto países como Kuwait, Qatar e Cingapura possuem uma disponibilidade em torno de 100 106 m3 ano-1, o Brasil possui a maior potencial entre todos os países, cerca de 5.700.000 106 m3 ano-1. O mesmo estudo estima, para uma população projetada para 2025, no Brasil, uma disponibilidade hídrica per capita de 26.000 m3 ano-1 pessoa. Tal valor é superado pelo Canadá, Venezuela, Paraguai, Guiana, Islândia, Panamá, Uruguai, Guiné Equatorial, entre outros, que, no entanto, são países de baixa concentração populacional.
O Brasil se destaca como o país de maior disponibilidade hídrica do planeta, porém os recursos hídricos estão heterogeneamente distribuídos. Conforme Lanna (2001), o país possui pelo menos 8% da reserva de água doce no mundo, sendo que 80% encontra-se na região Amazônica e os restantes 20% concentra-se nas regiões onde vivem 95% da população (região Sul e Suldeste).
No país, os estados que registram situação mais crítica são: Pernambuco, Paraíba, Distrito Federal, Sergipe, Rio Grande do Norte e Alagoas. Tais Estados possuem disponibilidades renováveis per capita ano-1 inferiores a 1.400 m3. Em situação melhor encontram-se o Rio de Janeiro e o Ceará, com valores próximos a 2.200 m3.
Há de se considerar ainda o consumo, que irá variar conforme a disponibilidade da região, a qualidade da água e os tipos de uso, sendo que o último está interligado às
características sócio-culturais e econômicas. Em média, 65% da água consumida no mundo são utilizadas na agricultura, 25% nas indústrias e os restantes 10% destinam-se aos diversos fins urbanos. Uma economia da ordem de 10% na irrigação liberaria água suficiente para, grosseiramente, duplicar a disponibilidade para consumo humano, em âmbito mundial.
A Figura 3.1 apresenta o perfil de uso da água no Brasil, que é um pouco diferente do mundial. A irrigação corresponde à quase a metade das demandas, contra os 65% no âmbito mundial. Em termos regionais, nota-se uma grande heterogeneidade no uso da água. A irrigação predomina nas regiões Nordeste e Sul. A demanda urbana é mais expressiva, nas regiões Norte e Centro-Oeste. O consumo industrial é maior na região Sudeste.
Figura 3.1: Distribuição percentual do uso da água nos Estados e no Brasil. Fonte: Adaptado de Lanna (2001).
Esta realidade implica o surgimento de conflitos entre os diversos usos da água, nos locais onde o consumo na irrigação é expressivo. Tal fato ocorre na região arrozeira do sul do Brasil, comprometendo o abastecimento de algumas cidades durante as estiagens. Verifica-se, também, na bacia do rio São Francisco, cujas águas, já grandemente comprometidas com a geração de energia, são também utilizadas na irrigação (Lanna, 2001).
O agravamento recente destes conflitos se deve principalmente à expansão da área irrigada no Brasil, e no Nordeste, em especial, na segunda metade deste século. Em
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Norte Nordeste Sudeste Sul Centro-oeste Brasil D is tr ibuiç ã o pe rc e n tu a l do us o d a á gua ( % ) Irrigação Indústrias Urbano
1950 a irrigação no Brasil era praticamente zero e em 1994 já apresentava 3 106 ha beneficiados.
A intensificação desta prática, pelo Programa Nacional de Irrigação, aconteceu sem que houvesse no país um sistema de gerenciamento de recursos hídricos que planejasse de modo abrangente a evolução das demandas. Os conflitos provenientes da ausência de planejamento determinaram a implantação da Política e do Sistema Nacional de Gerenciamento de Recursos Hídricos, pela lei 9.433 de 8 de Janeiro de 1997.
O reúso, tido como uma opção exótica até alguns anos atrás, é hoje uma alternativa que não pode ser ignorada. Também, observa-se uma distinção cada vez menor entre técnicas de tratamento de água e técnicas de tratamento de esgotos.
Segundo Asano & Levine (1996), a evolução histórica do reúso da água pode ser dividida em três etapas: o primeiro, entre 3.000 A.C. e o ano de 1850, refere-se às primeiras notícias que se têm sobre o reaproveitamento de esgoto e encerra-se com o Relatório Chadwich que dizia que “a chuva para os rios e os esgotos para o solo”; a segunda etapa vai até 1950, após a regulamentação do uso de esgotos na agricultura na Califórnia, “o despertar sanitário”; e, a época seguinte, denominada como “a era da recuperação, reciclagem e reúso”, é o período que estamos vivendo.
A escassez progressiva da água tem incentivado pesquisas nos países da Comunidade Econômica Européia e também nos 21 países componentes do leste e norte da África, região de maior escassez de água do planeta. No Brasil, grande passo está sendo dado pela sustentação política e administrativa com a criação da Agência Nacional de Águas (Mancuso & Santos, 2003).
3.2 Reúso Agrícola
Um dos principais desafios do Brasil e do mundo na gestão dos recursos hídricos é conseguir maior produção agrícola com menor quantidade de água, principalmente nas regiões áridas. O País desperdiça, atualmente, cerca de 50% da água utilizada na irrigação.
O emprego de efluente na irrigação aumenta a oferta hídrica para a agricultura e disponibiliza água para os demais usos. Em regiões áridas e semi-áridas, como Israel, Líbano e países vizinhos, segundo Angelakis (1999), a irrigação com efluentes é uma forma de reduzir o consumo de água na agricultura. Tal fato conduz a um melhor compartilhamento da água para abastecimento humano e para os demais usos. Friedler (1999), registra que, num futuro próximo, em Jeezrael Valley, Israel, esta modalidade poderá corresponder à cerca de 80% de toda a irrigação local.
A agricultura depende de suprimento de água, numa escala tal, que a continuidade da produção de alimentos não poderá ser mantida sem o desenvolvimento de novas fontes de fornecimento e a gestão adequada dos recursos hídricos. Esta condição crítica fundamenta-se no fato de que o aumento da produção não pode mais ser efetuado apenas pela expansão de área cultivada. Com poucas exceções, as terra aráveis, em escala planetária, se aproximam, muito rapidamente, de seus limites.
Conforme Hespanhol (2001), a Índia já explorou praticamente 100% de seus recursos de solo arável. Bangladesh dispõe de um potencial de apenas 3%. A taxa global de expansão de terra arável diminuiu de 0,4% durante a década 1970-1979 para 0,2%, durante o período 1980-1987. Nos países em desenvolvimento a taxa caiu de 0,7% para 0,4%.
O reúso do esgoto na irrigação não ocorre somente nas regiões áridas. Países como França, Espanha, Austrália e Estados Unidos, também, utilizam esta técnica. No Brasil, estudos desenvolvidos por König (1997), pelo PROSAB e CT-Hidro demonstram um movimento nesta direção.
Um estudo, citado por Gheyi (1999), indica que a China possui uma área irrigada com efluente da ordem de 1,5 milhões de hectares, seguido do México, 250 mil e Índia, 75.000. O Chile, Estados Unidos, Kuwait, Israel beneficiam uma área aproximada de 10.000 ha. A Arábia Saudita, Sudão e África do Sul cultivam 3.000 ha, dados de 1998.
Nas duas últimas décadas, o uso de esgotos para irrigação aumentou, de forma significativa, devido aos seguintes fatores: dificuldade em se obter fontes alternativas de águas para irrigação; certeza de que os riscos para a saúde pública e os impactos sobre o solo podem ser controlados, se precauções adequadas forem tomadas; custos elevados dos sistemas de tratamento; despesas com fertilizantes; aceitação sócio-cultural do processo;e reconhecimento, pelos órgãos gestores dos recursos hídricos, do valor intrínseco da prática.
Segundo Hespanhol (2001), estima-se que, na região do Alto Tietê poder-se-ia, com o atendimento da demanda agrícola pelos esgotos coletados na região, dispor de aproximadamente 3 m3 s-1 adicionais, de água de boa qualidade, para abastecimento público. Na região de influência da ETE Suzano, existe uma grande área agrícola irrigada com água de qualidade elevada. Esta área se concentra, particularmente, ao longo do rio Taiaçupeba, a qual se situa a 8 quilômetros da ETE Suzano, e que poderia ser irrigada com água de reúso proveniente da estação.
Porém, o reúso de efluentes no solo, conforme Coraucci Filho et. al. (1998), não pode ser encarado como um mero descarte. Deve existir um elo perfeito entre os objetivos e critérios da Engenharia Sanitária e os da Engenharia de Irrigação, de forma que o esgoto seja tratado no solo, sem qualquer possibilidade de contaminação do lençol freático, ou de saturação de nutrientes no solo, entre outros. Para isso, Haruvy (1997) e Vieira (1995), ressaltam a necessidade de se escolher a cultura adequada e o dimensionamento do projeto de irrigação conveniente para manter as condições sanitárias mínimas exigidas por normas.
A OMS e o Banco Mundial, preocupados com a aplicação indiscriminada de esgoto na agricultura, convocaram, em 1985, uma reunião entre técnicos e cientistas. O escopo era discutir os aspectos sanitários envolvidos no processo. Deste encontro saiu o relatório, “Declaração de Engelberg”, que ressalta a necessidade de normas para a
utilização segura deste tipo de disposição. Destaca, ainda, a importância deste procedimento para a necessidade de conservação dos recursos hídricos, da disposição adequada dos resíduos , do controle da contaminação da água, e da produção de alimentos nos diversos países.
No tratamento dos esgotos, para posterior reúso, o documento aconselha o uso de lagoas de estabilização, as quais apresentam bons resultados do ponto de vista epidemiológico. O conteúdo da Declaração de Engelberg foi utilizado na elaboração das diretrizes de uso de esgoto na agricultura e piscicultura, publicado pela OMS em 1989.
3.3 Lagoa Anaeróbia
O fluxo hidráulico no sistema de lagoas é similar ao dos reatores anaeróbios dispostos em série. Nas lagoas anaeróbias o tempo de detenção hidráulico varia de 1 a 6 dias, a carga orgânica volumétrica fica entre 0,1 e 0,3 kg DBO m-3 dia-1, a profundidade de 2,0 a 5,0 m, e a eficiência de remoção de DBO é de 50 a 60%. A lagoa assemelha-se a um reator de grandes dimensões, cujo objetivo é minimizar ao máximo a presença de oxigênio para que a estabilização da matéria orgânica ocorra estritamente em condições anaeróbias. Nela ocorrem, principalmente, os fenômenos de digestão ácida e fermentação metanogênica.
A fermentação anaeróbica é um processo seqüencial. Primeiramente microorganismos facultativos, na ausência de oxigênio dissolvido, transformam compostos orgânicos complexos em substâncias mais simples, principalmente ácidos orgânicos. É a fase chamada de "digestão ácida", na qual ocorre a produção de material celular e de compostos intermediários mal-cheirosos. O pH cai para 6,0 e até 5,0. Em seguida as bactérias formadoras de metano, estritamente anaeróbias, transformam os ácidos orgânicos, formados na fase inicial, em metano (CH4) e dióxido de carbono (CO2).
Nesta fase, chamada de "fermentação metânica ou alcalina", o pH sobe para 7,2 ou até 7,5 e os maus odores desaparecem (Campos, 1999).
Os principais compostos intermediários formados nesta fase são os ácidos orgânicos voláteis, principalmente ácidos acético, propiônico e butírico, que serão convertidos pelas bactérias formadoras do metano, na fase seguinte, em metano e dióxido de carbono.
A transformação dos ácidos voláteis pelas bactérias formadoras do metano determina uma sensível redução na matéria biodegradável, representada pela DBO ou DQO. A quantidade de matéria orgânica estabilizada nesta fase é diretamente proporcional à quantidade de metano produzido.
Nesse processo sulfatos são reduzidos a H2S, que se difunde na camada
superior da lagoa. A crosta de escuma típica das lagoas anaeróbias é extremamente benéfica, pois impede o desprendimento de H2S para a atmosfera.
Os sulfetos podem ser tóxicos às bactérias quando em concentração acima de 200 mg L-1, com pH próximo a 7,0. No entanto, em concentrações entre 50 e 100 mg L-1, são bem tolerados, e têm a propriedade de reagir com íons de metais pesados solúveis para formar um precipitado que é praticamente insolúvel em pH próximo a neutralidade. Esta propriedade é uma forma interessante de remoção de metais pesados em alguns despejos industriais.
A crosta de escuma, que é formada por sólidos flutuantes e lodo, apresenta outras vantagens além de impedir a saída do H2S para a atmosfera, entre as quais
podemos citar:
• Interpõe-se à penetração da luz solar na lagoa, impedindo o desenvolvimento de algas, que produziriam oxigênio na camada superior;
• protege a lagoa contra curtos-circuitos, agitação provocada pelos ventos, e transferência de oxigênio da atmosfera, mantendo condições no fundo mais adequadas à metanização (ausência de oxigênio dissolvido e temperatura estável); e
• ainda conserva e uniformiza a temperatura no meio líquido, impedindo sua alteração por súbita modificação no meio externo.
O fluxo horizontal do esgoto em um reator de grandes dimensões propicia a sedimentação de sólidos suspensos ao longo do seu percurso. O fundo surge como a região mais ativa do reator, onde se desenvolve uma biomassa para a digestão da matéria orgânica sedimentada. A mobilidade da biomassa é baixa, com o leito de lodo biológico estacionário no fundo. Como resultado, tem-se um contato biomassa-esgoto solúvel pouco eficiente, o que explica o desempenho limitado na remoção da DBO total. Em função das dimensões do reator e da baixa carga orgânica aplicada, a eliminação do lodo é realizada após vários anos, o que resulta em um tempo de residência celular alto.
Podemos observar o princípio do tratamento por lagoa anaeróbia pela Figura 3.2, por meio da deposição dos particulados no fundo, pela ação da gravidade, onde ocorre a digestão e liberação do biogás para a atmosfera.
Figura 3.2: Configuração de uma lagoa anaeróbia. Fonte: Adaptado de Campos, 1999.
3.4 Impactos do Tratamento no Solo
O tratamento de efluentes no solo ocorre, principalmente, graças à diversidade microbiana existente nesse ambiente. As características dos microrganismos no solo são extremamente variáveis e dependem das condições ambientais reinantes.
A aplicação do esgoto doméstico no solo possibilita a remoção dos poluentes por meio de mecanismos de ordem física: sedimentação, filtração, radiação, volatilização e desidratação; química: por meio de reações de oxidação e redução, precipitação, adsorção e troca iônica; e biológica: absorção, biodegradação e predação.
A aplicação de águas residuárias doméstica em solos promove rápida modificação nas suas características físicas e químicas. No entanto, é preciso haver um uso racional deste recurso, dado que pode levar, em pouco tempo, a problemas de contaminação por acúmulo de nutrientes, sais solúveis, materiais inorgânicos e orgânicos, e pela lixiviação de nitrato. Em vista disso, os parâmetros de controle e operação do sistema, como a lâmina hídrica, o período e a freqüência de aplicação, devem ser bem monitorados. Solos que recebem alta concentração de efluentes têm, em pouco tempo, seu desempenho prejudicado, exigindo uma interrupção na atividade (USEPA, 1981).
Sistemas de reúso trazem melhorias ambientais e de condições de saúde, entre as quais: evita a descarga de esgotos brutos em corpos de água; preserva recursos hídricos subterrâneos, principalmente em áreas onde a utilização excessiva de aqüíferos provoca intrusão de cunha salina ou subsidência de terrenos. Além disso, permitem a conservação do solo, aumentando a resistência à erosão. Contribuem, principalmente em países em desenvolvimento, para o aumento da produção de alimentos, elevando os níveis de saúde, qualidade de vida e condições sociais das populações associadas às técnicas de reúso.
Conforme Fonseca (2000), os impactos ambientais, decorrentes da disposição de esgotos domésticos no solo, estão diretamente relacionados à implantação e monitora-mento da unidade de tratamonitora-mento e restrições culturais. O impacto da agricultura irrigada com efluente sobre as águas subterrâneas pode ser de grande magnitude. Em zonas áridas com solos permeáveis e rasos, o tratamento do esgoto por disposição no solo, caso esta não seja monitorada eficientemente, poderá causar incrementos no nível do lençol freático e poluição por microorganismos patogênicos e outros, além de provocar a salinização do solo.
O impacto mais importante do tratamento do esgoto por disposição no solo é o aumento do potencial agrícola, pela adição de matéria orgânica, que age como um condicionador do solo, pela adição de nutrientes, e fornecimento da água necessária às culturas. Sobre a vegetação, os impactos da aplicação dos esgotos são bastante benéficos.
Os benefícios econômicos são alcançados graças ao aumento da área cultivada e da produtividade agrícola. Um exemplo notável de recuperação econômica, associada à disponibilidade de esgotos para irrigação é o caso do Vale de Mesquital, no México. Neste vale a renda agrícola aumentou de quase zero no início do século, quando os esgotos da cidade do México foram postos à disposição, até aproximadamente 4 milhões de dólares por hectare, em 1990 (Mancuso & Santos, 2003).
O contato do efluente com a matriz do solo e a capacidade de absorção das plantas são os responsáveis pela remoção de nutrientes. O nitrogênio, o fósforo e o potássio são os principais elementos utilizados pelas plantas, assim como o enxofre, o cálcio e o magnésio.
Há uma estreita relação entre matéria orgânica disponível no solo e desnitrificação (Feigin et. al., 1991). O C-orgânico, adicionado pelo efluente, tem sido o principal fator na desnitrificação, desde que ele supra as necessidades nutricionais das bactérias desnitrificadoras (Bouwer & Chaney, 1974). A adição de material orgânico, suprindo o carbono aos microrganismos, tem contribuído para o processo de desnitrificação, constituindo-se em um importante processo de perda de nitrato nos solos que recebem efluentes.
A Tabela 3.1 apresenta os resultados experimentais obtidos em Nagpur, Índia, indicando ganho de produtividade em culturas irrigadas com efluentes, em comparação às enriquecidas com fertilizante mineral.
Tabela 3.1: Aumento da produtividade agrícola (t ha-1 ano-1) possibilitada pela irrigação com esgotos domésticos.
Trigo Arroz Batata Algodão
Irrigação efetuada com
8 anos(a) 7 anos(a) 4 anos(a) 3 anos(a)
Esgoto bruto 3,3 2,9 23,1 2,6
Efluente primário 3,4 2,9 20,8 2,3
Efluente de lagoa de estabilização 3,4 2,9 22,3 2,4
Água + NPK 2,7 2,0 17,2 1,7
(a)- Número de anos para cálculo da produtividade média.
A intensificação do processo de desnitrificação causa incremento na produção de NO. Este processo muitas vezes é considerado benéfico ao sistema de tratamento de águas residuárias no solo (Polglase & Rosinson, 1995; Schipper et. al., 1996). Porém, os óxidos de nitrogênio têm efeitos deletérios ao ambiente. O NO caracteriza-se por ser quimicamente reativo e por regular a produção de ozônio na troposfera, além de ser precursor da chuva ácida (Hall & Zmyslowska, 1999).
Segundo Raij (1991), o principal nutriente que pode causar problemas ao ambiente é o nitrogênio, principalmente através de lixiviação de nitrato para os lençóis freáticos. Há limites máximos estabelecidos, para água potável, de 50 a 100 mg L-1 por diferentes organizações. A Portaria brasileira 518/04, que rege qualidade da água para consumo humano, fixa o valor ao máximo de 10 mg L-1 (expressos em N). O problema pode ocorrer em casos de elevadas aplicações de efluente, ou até mesmo pela utilização de fertilizantes orgânicos ou minerais. Embora as aplicações médias de nitrogênio na agricultura sejam modestas, da ordem de apenas 20 kg ha-1, há culturas que recebem teores elevados, de centenas de quilogramas por hectare. Além disso, ocorre também lixiviação de nitratos oriundos da mineralização de matéria orgânica.
Entretanto, há meios de se evitar a contaminação do lençol de água por nitratos, como, por exemplo, pela assimilação do nitrogênio pela cultura. Mas isso depende das condições de aproveitamento pelas plantas, das taxas de aplicação de esgotos no solo e da taxa de mineralização da matéria orgânica. Assim, a percolação de nitrato pode ser minimizada e quase eliminada quando se emprega um sistema de irrigação controlado (Souza, 2003).
A capacidade do solo em reter fósforo e a capacidade de remoção deste nutriente pela vegetação foi avaliada por Kardos & Hook (1976). O estudo compreendeu dois sistemas com plantas forrageiras, sendo um para fenação e outro em rotação com milho; um era sistema florestal e outro um sistema de campo nativo. Estes autores verificaram, nos quatro locais estudados, que após nove anos de irrigação com efluente (com teor médio de 5-6 mg L-1 de P), 96% do fósforo adicionado ainda se encontrava na camada 0-1,2 m. A penetração de fósforo em camadas mais profundas estava diretamente relacionada ao teor de argila e de óxidos de Fe e de Al do solo. Além disso, a lixiviação de fósforo foi menor que 3% do total aplicado no sistema com floresta, e menor
que 0,1% no sistema de rotação (forrageira/milho). Ou seja, o fósforo não lixívia em solos com tais características, ficando retido pela argila e óxidos de Fe e de Al.
Os metais pesados encontram-se no efluente de esgoto tanto nos sólidos suspensos como na fração liquida. Os que se associam aos sólidos suspensos acumulam-se na superfície do solo, ao passo que os metais pesados associados à fração líquida penetram no solo (Feigin et. al., 1991). Segundo McBride (1995), muitos estudos têm demonstrado a alta capacidade dos solos em reter metais pesados, devido à baixa solubilidade e alta adsorção específica desses metais.
O mesmo autor considerou que, além das condições ácido-base do terreno, os processos determinantes da solubilidade dos metais pesados no solo são: troca iônica nos argilominerais e óxidos; quimi-absorção na superfície do mineral; precipitação. Contribuem ainda: processos redox; adsorção de metais pela matéria orgânica; e especiação. A presença da matéria orgânica do solo tem afetado grandemente a solubilidade dos metais pesados (McBride, 1995). Os ácidos orgânicos, aminoácidos e ácidos fúlvicos influenciam a solubilidade dos metais pesados no solo (Feigin et. al., 1991).
Na saúde pública, segundo Fonseca (2000), os impactos estão relacionados, principalmente, à sobrevivência de microrganismos patogênicos no ar (irrigação por aspersão), na água e no próprio solo. Cuidados especiais devem ser tomados para evitar que os patogênicos sejam transferidos para fora da área. As medidas utilizadas para evitar riscos à saúde pública se resumem, principalmente, no cultivo exclusivo de vegetais que não são ingeridos crus, e/ou na existência de pós-tratamento por cloro, ozônio e peróxido que elimine os riscos de contaminação.
A OMS sugere, como diretriz para uso de águas residuárias em fertirrigação para culturas ingeridas cruas, campos de esportes e parques públicos, um padrão de qualidade bacteriológico de l.000 coliformes fecais por 100 mL e, no máximo de um ovo de helminto por litro de esgoto. Não existe nenhuma recomendação quanto aos limites bacteriológicos para irrigação de forrageiras, desde que os agricultores e a população não sejam expostos a riscos sanitários. O controle de insetos e de moluscos é feito por via operacional. Evita-se sua proliferação com turnos de rega que assegurem a alternância
de períodos de secagem, impedindo-se a formação de empoçamentos e umidade excessiva do solo. Roedores são combatidos mantendo-se a área limpa, o esgoto confinado nas faixas de tratamento e com técnicas correntes no meio agrícola.
3.5 Normas e Padrões
A eliminação de agentes patogênicos é um dos objetivos do tratamento de esgoto para reúso. As diretrizes de qualidade das águas residuárias e as normas para seu reúso são expressas de acordo com o número máximo permissível de bactérias do grupo coliformes fecais e de ovos de helmintos. Na prática, os coliformes fecais podem ser empregados como indicadores razoavelmente confiáveis de agentes patogênicos, visto que suas características de sobrevivência no ambiente e seu índice de eliminação em processos de tratamento é similar ao dos organismos patogênicos. Entretanto, o grupo coliforme fecal tem uso limitado quando se deseja ter dados relativos aos protozoários, helmintos e vírus.
Geralmente, as normas ou diretrizes sobre a qualidade das águas residuárias que se pretendem empregar na irrigação de cultivos sem restrição, incluindo legumes e verduras consumidas cruas, possuem regras explícitas. Indica o número máximo de coliformes e requisitos mínimos de tratamento, primário, secundário ou terciário, segundo a cultura que se quer irrigar. Conforme Suematsu & Navarrete (1995), as normas estabelecidas nos últimos 50 anos têm sido, em geral, muito restritivas. Elas se baseiam em avaliações teóricas de possíveis riscos para a saúde e da sobrevivência de agentes patogênicos nas águas residuárias, no solo e nas plantas, mas também em experiências epidemiológicas de risco real. Até um certo ponto, as primeiras normas basearam-se em uma concepção de risco nulo. As normas do Departamento de Saúde Pública do Estado da Califórnia permitiam, até então, um total de 2,2 a 23 NMP 100 mL-1, segundo a cultura e o sistema de irrigação.
Em 1971, um grupo de cientistas da OMS constatou que as normas fixadas na Califórnia eram muito restritivas e recomendou uma nova diretriz sobre o perfil microbiológico da água usada na irrigação. Os estudiosos reconheceram ser necessário estabelecer uma base epidemiológica mais sólida para as diretrizes sobre a irrigação com efluente tratado.
Desde então, a OMS, o Banco Mundial, o Programa das Nações Unidas para o Desenvolvimento, o Programa das Nações Unidas para o Meio Ambiente, o Centro Internacional de Investigações para o Desenvolvimento (Canadá), o Centro Internacional de Referência sobre Despejos (Suíça), a Organização das Nações Unidas para a Agricultura e a Alimentação e muitas outras instituições acadêmicas de todo o mundo iniciaram um amplo esforço para estabelecer uma base epidemiológica mais racional e fundamentada.
Em 1973, a OMS publicou o informe técnico 517 sobre o tratamento de águas residuárias e a qualidade destas para projetos de irrigação. Compara a quantidade provável de infecções e o excesso de enfermidades causadas por diferentes classes de patógenos. Conforme a OMS o elevado número de infecções intestinais produzidas por nematóides, Ascaris, Trichuris, Ancylostoma e Necator está bem fundamentado e se deve a vários estudos realizados tanto em países desenvolvidos quanto os em desenvolvimento. Já às infecções bacterianas, diarréias bacterianas, cólera e tifóide, e virais, diarréias virais e hepatite A, apresentam resultados menos fundamentados devido a uma escassez de evidencias epidemiológicas, mas a priori apresentam baixa freqüência de infecção (OMS, 1973).
Após estes trabalhos preparatórios e os testes epidemiológicos obtidos até então, o grupo científico recomendou as diretrizes que aparecem na Tabela 3.2. Elas se baseiam no fato que em muitos países em desenvolvimento, os principais riscos reais para a saúde estão relacionados com os ovos de helmintos e que, portanto, o uso da água na agricultura exige a eliminação quase que completa destes.
Tabela 3.2: Diretrizes recomendadas para a qualidade microbiológica das águas residuárias utilizadas na agricultura1
Categoria
Condições de Aproveitamento
Grupo exposto Nematóides Intestinais2 (média aritmética ovos / 100 mL)3 Coliformes Fecais (média geométrica/ 100 mL) Tratamento requerido A Culturas consumidas cruas, campos esportivos, jardins públicos Trabalhadores, consumidores e público em geral
≤
1≤
10004 Série de Lagoas de Estabilização (ou tratamento equivalente) B Culturas de cereais, industriais e forrageiras, prados e árvores5 Trabalhadores≤
1 Não se recomenda nenhuma norma Lagoas de estabilização por 8 a 10 dias (ou tratamento equivalente) C Categoria B, sem os trabalhadores e o público estarem expostosNinguém Não se aplica Não se aplica
Sedimentação Primária
1
Em casos específicos, deve-se considerar os fatores epidemiológicos, sócio-culturais de cada região e modificar os padrões de acordo com a sua exigência
2
Espécies Ascaris e Trichuris e Ancilostomas
3
Durante o período de irrigação
4
Convém estabelecer uma diretriz mais restritiva (<200 CF 100mL-1) para prado público,
como os hotéis, onde o público pode entrar em contato direto.
5
No caso de árvores frutíferas, a irrigação deve cessar duas semanas antes da colheita da fruta e esta não deve ser colocada na superfície do solo. Não é conveniente irrigar por aspersão
Fonte: Adaptado da OMS (1989).
Estas diretrizes restringem o número de ovos de helmintos (das espécies Ascaris e Trichuris), nos efluentes tratados, a uma concentração de um ovo ou menos por litro. Estudos práticos indicam que as concentrações de helmintos no esgoto bruto raramente superam 1000 ovos por litro nas regiões endêmicas. As lagoas de estabilização com um período de retenção de 8 a 10 dias são capazes de obter a eficiência exigida pela diretriz.
Baseado nas pesquisas epidemiológicas, foi recomendada uma diretriz sobre a qualidade bacteriológica de 1000 coliformes fecais por 100 mL em irrigações sem restrições. O Grupo chegou a conclusão de que não é necessário recomendar restrições em casos em que os agricultores constituem o único grupo exposto.
Segundo Suematsu & Navarrete (1995) a redução paulatina e natural dos agentes patogênicos sobre o solo constitui outro valioso fator de segurança para reduzir os riscos potenciais para a saúde. A inativação de agentes patogênicos, por meio da irradiação com raios ultravioletas, secagem e predadores biológicos naturais; pode resultar em uma redução de 90 a 99% dos agentes em poucos dias. Além desse importante fator, ao formular as diretrizes, o grupo científico, baseado em estudos feitos sobre o solo e em laboratório, indicou que era pouco ou nulo o número de agentes patogênicos detectáveis nos efluentes com 1000 coliformes fecais por 100 mL.
Entretanto, os valores obtidos na Tabela 3.2 devem ser interpretados com cuidado, sendo necessário adequá-los conforme os fatores epidemiológicos, sócio-culturais e ambientais de cada lugar. Maior precaução deverá ser tomada quando existem grupos mais suscetíveis à infecção.
Após a publicação do guia pela OMS em 1989, o Instituto Nacional de Nutrição do México e a Escola de Londres de Higiene e Medicina tropical realizaram estudos epidemiológicos no vale de Mezquital, 100 km ao norte da Cidade do México, até 1997, para avaliar a confiabilidade da norma para uso seguro de efluente na agricultura. Nesta região há uma área de 82.000 hectares de terras cultivadas e irrigadas com efluente.
A norma da OMS para o reúso restrito das águas residuárias na agricultura não propõe um limite de coliformes fecais por falta de evidência de risco de infecções virais e bacterianas para os agricultores e residentes locais. Os resultados destes estudos podem ser vistos na Tabela 3.3. Conforme estudiosos dos EUA, 105 NMP 100mL-1 de CF seria capaz de proteger os agricultores e habitantes das zonas próximas. Porém, os estudos feitos no México sugerem que as pessoas que estão em contato direto com o efluente possuem risco de contrair infecções intestinais a um nível de até 104 NMP 100mL-1 de CF. Um nível menor que 103 NMP 100mL-1 de CF, como estabelece a norma vigente no México (1996), aumentaria a segurança em locais onde há grandes contingentes de pessoal em risco que trabalham no campo.
Já em relação à irrigação irrestrita, os estudos epidemiológicos têm demonstrado que a norma da OMS é adequada para proteger a saúde dos consumidores. Os estudos do México sugeriram o consumo de verduras irrigadas com 104 a 105 NMP 100mL-1 de
CF. Os estudos de avaliação de risco indicam que a norma da OMS é mais restritiva que o necessário em áreas onde as infecções intestinais são endêmicas.
Tabela 3.3: Diretrizes propostas à norma mexicana NOM-001-ECOL-1996.
Irrigação Norma OMS
Norma Mexicana vigente (1997)
Norma proposta para o México
CF 100mL-1 ovo.L-1 CF 100mL-1 ovo.L-1 CF 100mL-1 ovo L-1 Restrita não exigido < 1 1000m - 2000d < 5 < 104 < 1 Irrestrita < 103 < 1 1000m - 2000d < 1 < 103 < 1
* m, média mensal, d, média diária, e ovo.L-1, Ovo de helminto por litro.
Fonte: Adaptado de Ruiz-Palacios et. al. (1997).
As culturas vegetais irrigadas com águas residuárias contaminadas constituem risco potencial de transmissão de ascaridíase e a teníase (OMS, 1985). Os ovos de helmintos se mantêm vivos no solo durante longos períodos. Os ovos de A. lumbricoides e de T. saginata podem sobreviver por períodos superiores aos necessários para o crescimento das plantas.
Segundo Braile & Cavalcanti (1993), o tempo de sobrevivência de ovos de Ascaris no solo decresce rapidamente após 20 dias (Tabela 3.4). O processo de eliminação dos ovos no solo depende de dois fatores: exposição à luz solar e o tipo de solo. Nas amostras vegetais não se encontraram ovos após dez dias contados a partir da aplicação. O tempo de sobrevivência dos ovos nas raízes depende do tipo de cultura vegetal, mas decresce rapidamente após 45 dias. Estes resultados confirmam a importância dos critérios parasitológicos no reúso agrícola.
A simples presença de vírus, bactérias, cistos de protozoários e ovos de helmintos não implica infecção de humanos e animais, visto que para infectar os hospedeiros, estes agentes patogênicos necessitam de uma dose mínima. Os helmintos requerem uma dose mínima de um a dez ovos viáveis, as bactérias de cem a um milhão, os protozoários de dez a cem e os vírus em torno de cem (Braile & Cavalcanti, 1993).
